[논문]탄소혼합물 접지전극의 접지임피던스의 특성

이강수; 이복희

doi:10.5207/jieie.2011.25.5.054

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This paper presents characteristics of frequency-dependent grounding impedance and transient grounding impedance for the carbon compound grounding electrode used in the installation of computerized electronic equipment and lightning protection system. The frequency-dependent grounding impedances wer...

This paper presents characteristics of frequency-dependent grounding impedance and transient grounding impedance for the carbon compound grounding electrode used in the installation of computerized electronic equipment and lightning protection system. The frequency-dependent grounding impedances were measured by applying sinusoidal currents in the frequency range from 100 [Hz] to 10[MHz], and the transient grounding impedances were examined by subjecting the impulse current with the front-time between 1~80[${\mu}s$]. As a result, the ground resistance of the carbon compound grounding electrode is less than that of another type grounding electrodes. The transient grounding impedance is relatively low and the conventional grounding impedance is rather lower than the ground resistance. The frequency-dependent grounding impedance of the carbon compound grounding electrode is capacitive and the grounding impedance is decreased with increasing the frequency of injected currents. Therefore in the case that the carbon compound grounding electrode is jointly used with large-scaled grounding electrodes, it is possible to reduce the high frequency grounding impedance of the integrated grounding electrode system.

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문제 정의

최근 통합접지시스템의 적용이 일반화 되면서 낮은 접지저항은 물론 고주파수에 대한 양호한 성능과 낮은 과도접지임피던스 특성이 요구되고 있다[5-6]. 따라서 본 논문에서는 탄소혼합물 접지전극을 통합접지시스템에 적용하는 경우 기능용 접지와 피뢰용 접지에 요구되는 고주파수에서의 성능 분석을 위해 수행한 접지임피던스의 주파수의존성과 과도접지 임피던스의 특성에 대한 분석결과를 기술한다.
본 논문에서는 지능형 빌딩을 비롯하여 정보화를 위한 전자통신설비를 구비하는 건축물에 적용하는 통합접지시스템을 구성하는 기능용 및 피뢰설비용 접지전극의 서지전류에 대한 응답특성을 평가하기 위하여 매설지선, 동축구조형 탄소혼합물 접지전극과 탄소접지전극모듈의 임펄스전류에 대한 과도접지임피던스와 접지임피던스의 주파수의존성에 대한 실험적 연구의 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

측정전류는 접지전극의 끝단에서 인가하였으며, 각 접지극간의 상호 간섭을 배제하기 위해서 충분한 이격거리를 두고 설치하였다.
임펄스전류에 대한 과도접지임피던스의 측정에는 조합형 임펄스전류발생장치를 이용하여 측정대상 접지전극에 임펄스전류를 인가하였다. 임펄스전류발생장치의 커패시턴스를 조절하여 파두시간을 1∼80[㎲]의 범위에서 10[A]크기의 임펄스전류를 인가하였다.
임펄스전류발생장치의 커패시턴스를 조절하여 파두시간을 1∼80[㎲]의 범위에서 10[A]크기의 임펄스전류를 인가하였다. 능동성 전류프로브와 차동전압프로브로 검출된 인가전류와 전위 파형을 디지털 오실로스코프로 관측하여 과도접지임피던스와 규약접지임피던스를 산출하였다. 접지임피던스의 주파수의존성의 측정에는 전원공급장치로 조합형 임펄스전류발생장치 대신에 DC 80[㎒]의 전류를 인가할 수 있는 함수발생기와 주파수대역이 DC 250[㎒]이고 최대 출력이 75[W]인 전력증폭기를 이용하여 100[㎐]에서 10[㎒]주파수 범위의 정현파전류를 인가하였다.
능동성 전류프로브와 차동전압프로브로 검출된 인가전류와 전위 파형을 디지털 오실로스코프로 관측하여 과도접지임피던스와 규약접지임피던스를 산출하였다. 접지임피던스의 주파수의존성의 측정에는 전원공급장치로 조합형 임펄스전류발생장치 대신에 DC 80[㎒]의 전류를 인가할 수 있는 함수발생기와 주파수대역이 DC 250[㎒]이고 최대 출력이 75[W]인 전력증폭기를 이용하여 100[㎐]에서 10[㎒]주파수 범위의 정현파전류를 인가하였다. 능동성 전류프로브와 차동전압프로브를 사용하여 인가전류와 전위를 검출하였다.
접지임피던스의 주파수의존성의 측정에는 전원공급장치로 조합형 임펄스전류발생장치 대신에 DC 80[㎒]의 전류를 인가할 수 있는 함수발생기와 주파수대역이 DC 250[㎒]이고 최대 출력이 75[W]인 전력증폭기를 이용하여 100[㎐]에서 10[㎒]주파수 범위의 정현파전류를 인가하였다. 능동성 전류프로브와 차동전압프로브를 사용하여 인가전류와 전위를 검출하였다. 측정된 신호는 100[MS/s]의 샘플링률(sampling rate)을 갖는 A/D변환기를 통하여 개인용 컴퓨터로 전송되며, 디지털 필터를 이용하여 노이즈를 제거하였다.
접지전극의 과도접지임피던스는 임펄스전류가 인가된 때 측정대상 접지전극의 전위를 인가전류로 나누어 산출하였다. 실험대상 접지전극 중의 하나인 탄소접지전극모듈에 인가한 임펄스전류와 전위상승의 전형적인 파형 및 접지임피던스 시간특성(z-t특성)의 예를 그림 6에 나타내었다.

대상 데이터

측정대상 접지전극은 단면적 25[㎟]이고 길이1.3[m]인 매설지선, 직경 75[㎜]이고 길이 2[m]인 동축구조형 탄소접지전극모듈, 그리고 직경 110[㎜]이고 길이 1.3[m]인 탄소접지전극모듈(G-1N, G-2N) 4종류를 그림 3과 같이 지표면으로부터 0.5[m]의 깊이에 매설하였다.
임펄스전류발생장치의 커패시턴스를 조절하여 파두시간을 1∼80[㎲]의 범위에서 10[A]크기의 임펄스전류를 인가하였다.

성능/효과

특히 규약접지임피던스는 접지전극의 자기인덕턴스와 토양의 비유전율에 따른 커패시턴스의 영향을 받는다. 규약접지임피던스는 대략 10[㎲] 이전의 빠른 시간영역에서 접지저항보다 작은 값을 나타내는 용량성 특성으로 나타났다.
접지전극의 임펄스전류에 대한 전반적인 특성을 종합하여 보면 상승시간 1[㎲] 이내에 상응하는 대략 350[㎑] 이상의 고주파에 대하여는 유도성으로 접지임피던스가 과도적으로 증가하지만 뇌임펄스전류에 상응하는 파두시간 10[㎲] 정도의 시간범위에서는 용량성으로 오히려 규약접지임피던스가 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 본 연구에 적용한 접지전극의 임펄스전류에 특성은 피뢰설비용으로 적합한 것으로 평가할 수 있다.
접지전극의 임펄스전류에 대한 전반적인 특성을 종합하여 보면 상승시간 1[㎲] 이내에 상응하는 대략 350[㎑] 이상의 고주파에 대하여는 유도성으로 접지임피던스가 과도적으로 증가하지만 뇌임펄스전류에 상응하는 파두시간 10[㎲] 정도의 시간범위에서는 용량성으로 오히려 규약접지임피던스가 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 본 연구에 적용한 접지전극의 임펄스전류에 특성은 피뢰설비용으로 적합한 것으로 평가할 수 있다.
위상차 특성에서 대체로 수십 [㎑] 이상의 주파수에서 유도성 특성이 나타나기 시작하여 1[㎒]의 주파수까지 접지임피던스는 거의 접지저항에 상응하는 값을 나타내었으나 1[㎒] 이상의 주파수에서는 접지임피던스가 주파수에 따라 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 1[㎒] 이상의 주파수를 갖는 접지전류에 대하여 접지저항은 별 의미가 없으며 접지성능이 낮은 것으로 볼 수 있다.
따라서 1[㎒] 이상의 주파수를 갖는 접지전류에 대하여 접지저항은 별 의미가 없으며 접지성능이 낮은 것으로 볼 수 있다. 뇌전류의 주파수 성분은 약 1[㎒]이내의 스팩트럼을 갖기 때문에 낮은 피뢰설비용 접지전극의 크기는 본 연구에 적용한 정도가 적합하므로 탄소접지전극모듈을 병렬로 조합하여 뇌전류에 대하여 양호한 응답특성을 얻을 수 있도록 접지설계에 반영하는 것이 합리적인 설계방법이라 판단된다.
접지임피던스의 과도적 특성은 뇌임펄스전류의 파두시간보다 훨씬 짧은 2[㎲] 이내에서만 나타났기 때문에 피뢰설비의 접지성능을 나타내는 지표가 되는 파두시간 10[㎲]인 뇌임펄스전류에 대한 규약접지임피던스는 오히려 접지저항보다 낮았다. 수십[㎑] 이하의 주파수범위에서 탄소혼합물 접지전극의 접지임피던스의 주파수의존성은 용량성을 나타내었으며, 그 이상의 주파수에서는 유도성으로 변하며 1[㎒] 이상의 주파수에서 접지임피던스는 대단히 증가하는 특성을 나타내어 접지성능이 현저히 저하됨을 알 수 있었다. 결론적으로 뇌임펄스전류에 대한 응답특성이 양호한 탄소혼합물 접지전극을 대형 접지전극과 병용하여 고주파수에서 접지임피던스가 낮은 통합접지시스템의 구현이 합리적인 접지설계의 방법 중의 하나인 것으로 판단된다.
수십[㎑] 이하의 주파수범위에서 탄소혼합물 접지전극의 접지임피던스의 주파수의존성은 용량성을 나타내었으며, 그 이상의 주파수에서는 유도성으로 변하며 1[㎒] 이상의 주파수에서 접지임피던스는 대단히 증가하는 특성을 나타내어 접지성능이 현저히 저하됨을 알 수 있었다. 결론적으로 뇌임펄스전류에 대한 응답특성이 양호한 탄소혼합물 접지전극을 대형 접지전극과 병용하여 고주파수에서 접지임피던스가 낮은 통합접지시스템의 구현이 합리적인 접지설계의 방법 중의 하나인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	접지임피던스는 어떻게 이용할 수 있는가?	고주파의 경우 리액턴스 성분을 검토해야하고, 접지의 측면에서는 “접지임피던스” 개념이 도입되게 된다. 접지임피던스는 주파수의 개념이 포함된 교류적 상태를 기준으로 한 것으로 과도적 상태를 쉽게 이해할 수 있으며 문제의 해결방안을 도출하는데 이용할 수 있다. 현대 건축물의 접지시스템은 보안용 접지와 기능용 접지 모두의 양호한 성능을 요구하고 있으며, 높은주파수 영역의 접지임피던스 특성은 접지전극의 형상, 크기, 매설방법, 대지저항률, 유전율 등에 의하여 변화하며, 특히 접지에 사용되는 접지도체의 종류 길이 굵기 배치방법등이 큰 변수로 작용한다.
	현대 건축물의 접지시스템의 특징은?	접지임피던스는 주파수의 개념이 포함된 교류적 상태를 기준으로 한 것으로 과도적 상태를 쉽게 이해할 수 있으며 문제의 해결방안을 도출하는데 이용할 수 있다. 현대 건축물의 접지시스템은 보안용 접지와 기능용 접지 모두의 양호한 성능을 요구하고 있으며, 높은주파수 영역의 접지임피던스 특성은 접지전극의 형상, 크기, 매설방법, 대지저항률, 유전율 등에 의하여 변화하며, 특히 접지에 사용되는 접지도체의 종류 길이 굵기 배치방법등이 큰 변수로 작용한다. 접지시스템의 과도접지임피던스 특성에 대한 면밀한 검토가 요구되며, 규약임피던스로 평가 할 필요가 있다.
	탄소혼합물 접지전극은 금속 접지전극에 비해서 표면적의 확대효과가 있으며, 흡습효과가 뛰어나 대지와의 접촉상태가 양호하게 유지되어 낮은 접지저항을 확보할 수 있는 이유는?	탄소혼합물의 주 원료인 흑연은 전기도전율이 큰 광물로 주성분이 흑연으로 이루어져 있다. 따라서 탄소혼합물 접지전극은 금속 접지전극에 비해서 표면적의 확대효과가 있으며, 흡습효과가 뛰어나 대지와의 접촉상태가 양호하게 유지되어 낮은 접지저항을 확보할 수 있다[4].

참고문헌 (15)

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이복희, 정동철, 이수봉, “봉상 접지전극에서 전류유입 위치에 따른 임펄스접지임피던스 특성”, 조명.전기설비학회 논문지, Vol.19, No.1, pp.94-100, 2005.
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KS C IEC 62305-1, 피뢰시스템-제1부: 일반원칙, pp.3-15, 2007.

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